Могут ли быть Электронные и/или Протонные Звезды?

  1. Что происходит со всеми электронами и протонами в материале нейтронной звезды?

  2. Может ли когда-нибудь существовать электронная звезда или протонная звезда?

Кстати, есть «Электронные звезды для голографической металлической критичности»: arxiv.org/abs/1008.2828 ; может быть, некоторые специалисты в этой области могут прокомментировать это?
Я полагаю, что электронную звезду лучше было бы назвать «кулоновской бомбой»...

Ответы (5)

Если бы плотная сферическая звезда была сделана из однородно заряженного вещества, то существовала бы гравитационная сила притяжения и электрическая сила отталкивания. Они уравновешивали бы очень небольшую чистую плату:

г Ф знак равно 1 р 2 ( − грамм М внутри г м + 1 4 π ϵ 0 Вопрос внутри г д )
что уравновешивает, если
г д г м знак равно Вопрос внутри М внутри знак равно грамм ⋅ 4 π ϵ 0 ≈ 10 − 18 е грамм е В / с 2 .
Это примерно один дополнительный фундаментальный заряд на 10 18 нуклонов или миллион дополнительных зарядов на моль — немного. Еще больше заряда, чем этот, и звезда разорвется и разлетится на части.

На самом деле происходит то, что протоны и электроны подвергаются электронному захвату с образованием нейтронов и нейтрино электронного типа.

Другие ответы достаточно хорошо охватывают ваш второй вопрос, но в первом все еще отсутствуют некоторые детали — что происходит с протонами и электронами в звезде, когда она коллапсирует в нейтронную звезду. Основной ответ прост: они становятся теми нейтронами.

Причина, по которой это происходит, заключается в том, что, как оказалось, пара {электрон, протон} в некотором роде взаимозаменяема с нейтроном или, по крайней мере, взаимозаменяема при достаточной энергии. «Более естественная» версия реакции, на самом деле, идет другим путем: сам по себе нейтрон на самом деле распадается на протон, испуская в процессе электрон, чтобы поддерживать баланс заряда.

н → п + + е − + ν ¯ е

Это самый простой пример бета-распада с периодом полураспада около 15 минут , что довольно быстро для реакции слабого взаимодействия.

The ν ¯ е Это антинейтрино, которое нужно испускать, чтобы число лептонов оставалось постоянным. У него нет массы, но он переносит энергию, так что происходит то, что нейтрон может превратиться в протон и тем самым потерять часть массы, которая становится достаточной для материализации электрона и антинейтрино и ускорения их до энергии в кэВ.

Одна из замечательных особенностей физики элементарных частиц заключается в том, что она обратима во времени, а это означает, что любую реакцию можно запустить в обратном порядке. В этом случае вы можете сделать что-то вроде

п + + е − → н + ν е
если у вас достаточно энергии, чтобы запустить его.

В любой данной звезде с некоторой вероятностью будут происходить обе реакции. У вас будет некоторое количество свободных нейтронов, которые будут распадаться на протон-электронные пары, но у вас также будет много протонов и электронов в энергетической среде, поэтому, если два из них столкнутся с достаточной энергией, они сливаются в нейтрон на некоторое время.

Однако ключевым словом является «достаточно» энергии, а в обычной звезде тепловой энергии — скажем, ~1 кэВ для 16 МК в ядре Солнца — недостаточно, чтобы обеспечить значительную часть протон-электронных столкновений. 780 кэВ им нужно для производства нейтрона. Тем не менее, в любой тепловой среде будут некоторые части системы, которые колеблются в энергиях Е больше, чем тепловая энергия к Б Т , с вероятностью е − Е / к Б Т . В этом случае это дает грубую оценку, что е − 1,35 / 780 ≈ 0,1 % протон-электронные столкновения производят нейтрон, который мал, но не полностью пренебрежимо мал.

Вот вам и нормальные звезды в равновесии. Чтобы создать нейтронную звезду, вам нужно что-то еще, чтобы нарушить это уравнение, и это оказывается огромным давлением: электрон, по сути, вдавливается в протон окружающей плазмой. Как только ядерный синтез перестает получать топливо, температура больше не может соответствовать давлению, и при относительно постоянных температурах* давление возрастает до огромных уровней.

Причина, по которой давление меняет игру, заключается в том, что реакция захвата электрона значительно уменьшает объем, занимаемый системой, а это означает, что среда совершает работу над системой, вдавливая ее, точно так же, как поршень совершает работу над газом. это внутри коробки. Именно эта дополнительная работа, выполняемая над крошечным объемом при абсолютно чудовищном давлении, обеспечивает значительную энергию > 780 кэВ, необходимую для благоприятной реакции захвата электронов.

* Или что-то в этом роде. Знатоки, поправьте меня, если я не прав.

780 кэВ — это вакуумное значение пороговой кинетической энергии электрона. В нейтронной звезде требуется гораздо больше энергии, потому что нейтроны вырождены. Так что больше похоже на десятки МэВ.
Это достаточно справедливо - я согласен с этим. Расчет с этим числом рассчитан для обычной звезды с небольшим количеством нейтронов.

Внутренняя сила гравитации настолько сильна, чем внешнее давление, что электрон вдавливается внутрь ядра и сливается с протоном, превращаясь в нейтральную частицу, подобную нейтрону. В некотором смысле мы можем сказать, что ядра содержат только нейтроны и поэтому называются нейтронными звездами.

+1, хотя я думаю, что было бы правильнее сказать (я не физик элементарных частиц), что реакция захвата электрона или «обратного бета-распада» , точно такая же, как у протона в некоторых нестабильных изотопах, ТОЧНО дает нейтрон. Кроме того, я не уверен, что мы можем напрямую «сказать», что нейтронная звезда — это нейтроны: я предполагаю, что это теоретический вывод, и мы не подтвердили это напрямую (поскольку мы не исследовали нейтронную звезду с помощью инструментов). , но мне было бы интересно услышать другое.
На самом деле Йоханнес делает правильное замечание в своем комментарии выше: «Я полагаю, что электронную звезду, вероятно, лучше было бы назвать «кулоновской бомбой» — это еще один способ узнать, что могут быть только нейтроны: другой тип был бы нестабилен. .
Тот же комментарий, что и для Роба выше: нейтронные звезды содержат не только нейтроны. Есть еще много протонов и электронов (хорошо ~ 10%). @WetSavannaAnimal одна из подсказок заключается в том, что прямой процесс URCA мог бы легко произойти, если бы в нейтронной звезде не преобладали вырожденные n. Если бы отношение p/n было высоким, нейтронные звезды охлаждались бы чрезвычайно быстро.

Дополнение к настоящим ответам. Они пока пренебрегают сильным взаимодействием, которое удерживает вместе известные ядра атомов, работая «против» взаимного электрического отталкивания протонов. Но даже 2 Он не стабилен. Поскольку гравитационная сила значительно слабее электромагнитной, протонные звезды (насколько мне известно) невозможны.

Сильная сила - это «контактная сила»: форма потенциала В знак равно α с р − 1 опыт − м π р , куда м π с 2 знак равно ℏ с / 1,2 ф м - масса пиона. Нуклоны, разделенные более чем восемью или десятью фемтометрами, не чувствуют сильного взаимодействия, поэтому не существует стабильных ядер с массой более 250 граммов на моль.
@rob Я хотел бы понять соотношение нуклонного расстояния и массы на моль, которое вы используете, - не могли бы вы подсказать, где искать? (т.е. связанная концепция или около того)
@rob Я знаю, поэтому это просто дополнение к предыдущим ответам
@VolkerSiegel Молярная масса в граммах на моль примерно равна количеству нуклонов в ядре (4 для гелия, 27 для алюминия, 230-240 для урана, обычно записывается А ). Ядерная материя имеет примерно постоянную плотность, поэтому радиус ядра примерно 1,2 ф м А 1 / 3 ; даже у урана есть только радиус 3 240 ≈ 6 . Потенциал Юкавы настолько важен, что его можно найти в любой книге по ядерной физике.
Нестабильность ²He не имеет значения, потому что ожидается, что гипотетическая протонная звезда будет связана собственной гравитацией - силой, которой в обычных нуклидах можно пренебречь. Стабилен ли ²n или существуют более тяжелые изотопы нейтрония?

Ответ на главный вопрос - нет . Сила отталкивания из-за «однородных зарядов» на порядки больше силы притяжения гравитации, поэтому образовать звезду было бы невозможно. В случае «противоположных зарядов» ситуация теперь обратная, противоположные заряды притягиваются и создаются атомы гелия. Если их создано достаточно, гравитационная сила притяжения увеличивается до тех пор, пока не станет больше, чем сила, разделяющая протоны и электроны, и они «сплавятся», создав нейтроны. Это продолжается до тех пор, пока все электроны (или протоны) не исчезнут, таким образом, будет создана нейтронная звезда.

И тот же комментарий, что и выше. Нейтронные звезды — это не просто нейтроны!
Могут ли быть Электронные и/или Протонные Звезды?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 3v